第九章-霍爾傳感器課件

第九章霍爾傳感器本章主要講述內(nèi)容：1、霍爾傳感器的工作原理2、霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)3、霍爾元件的測(cè)量電路4、霍爾傳感器舉例7/22/20231概述：

霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，得到廣泛的應(yīng)用?？梢詸z測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。特點(diǎn)：

霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

第一節(jié)霍爾元件的基本工作原理7/22/20232霍爾效應(yīng)原理圖7/22/20233霍爾元件

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。7/22/20234設(shè)圖中的材料是Ｎ型半導(dǎo)體，導(dǎo)電的載流子是電子。在ｚ軸方向的磁場(chǎng)作用下，電子將受到一個(gè)沿ｙ軸負(fù)方向力的作用，這個(gè)力就是洛侖茲力。它的大小為：FL=－evB

zxyIADBCBlLdUHA、B-霍爾電極C、D-控制電極FL7/22/20235

電荷的聚積必將產(chǎn)生靜電場(chǎng)，即為霍爾電場(chǎng)，該靜電場(chǎng)對(duì)電子的作用力為FE與洛侖茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為式中EH為霍爾電場(chǎng)，e為電子電量，UH為霍爾電勢(shì)。當(dāng)FL=FE時(shí)，電子的積累達(dá)到動(dòng)平衡，即所以IADBCBlLdUHA、B-霍爾電極C、D-控制電極FLFE7/22/20236設(shè)流過(guò)霍爾元件的電流為I時(shí)，式中l(wèi)d為與電流方向垂直的截面積，n為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)(載流子濃度)。則IADBCBlLdUHA、B-霍爾電極C、D-控制電極FLFE7/22/20237令

RH則被定義為霍爾傳感器的霍爾系數(shù)。由于金屬導(dǎo)體內(nèi)的載流子濃度大于半導(dǎo)體內(nèi)的載流子濃度，所以，半導(dǎo)體霍爾系數(shù)大于導(dǎo)體?；魻栂禂?shù)及靈敏度則7/22/20238KH為霍爾元件的靈敏度。由上述討論可知，霍爾元件的靈敏度不僅與元件材料的霍爾系數(shù)有關(guān)，還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān)。一般要求霍爾元件靈敏度越大越好，霍爾元件靈敏度的公式可知，霍爾元件的厚度d與KH成反比。令

則7/22/20239通過(guò)以上分析可知：1）霍爾電壓UH與材料的性質(zhì)有關(guān)

n愈大，KH愈小，霍爾靈敏度愈低；

n愈小，KH愈大，但n太小，需施加極高的電壓才能產(chǎn)生很小的電流。因此霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料7/22/2023102）霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。

d愈小，KH愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但d太小，會(huì)使元件的輸入、輸出電阻增加。霍爾電壓UH與控制電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，當(dāng)磁場(chǎng)改變方向時(shí)，也改變方向。7/22/202311若磁場(chǎng)B和霍爾元件平面的法線成一角度θ，則作用于霍爾元件的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bcosθ，因此

UH=KHIBcosθIADBCBlLdUHA、B-霍爾電極C、D-控制電極θ7/22/2023123）P型半導(dǎo)體，其多數(shù)載流子是空穴，也存在霍爾效應(yīng)，但極性和N型半導(dǎo)體的相反。4）霍爾電壓UH與磁場(chǎng)B和電流I成正比，只要測(cè)出UH，那么B或I的未知量均可利用霍爾元件進(jìn)行測(cè)量。7/22/202313一、霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)組成由霍爾片、四根引線和殼體組成，如下圖示。第二節(jié)霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)7/22/202314國(guó)產(chǎn)霍爾元件型號(hào)的命名方法7/22/202315二、主要技術(shù)指標(biāo)1、額定控制電流IC和最大控制電流ICm霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10℃的溫升時(shí)所施加的控制電流稱為額定控制電流IC。在相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，IC值較大則可獲得較大的霍爾輸出?；魻栐拗艻C的主要因素是散熱條件。一般鍺元件的最大允許溫升ΔTm<80℃，硅元件的ΔTm<175℃。當(dāng)霍爾元件的溫升達(dá)到ΔTm時(shí)的IC就是最大控制電流ICm。7/22/202316霍爾元件的乘積靈敏度定義為在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下，霍爾電勢(shì)輸出端開(kāi)路時(shí)的電勢(shì)值，其單位為V（AT），它反應(yīng)了霍爾元件本身所具有的磁電轉(zhuǎn)換能力，一般希望它越大越好。2、乘積靈敏度KH其定義7/22/2023173、輸入電阻Ri和輸出電阻R0Ri是指流過(guò)控制電流的電極（簡(jiǎn)稱控制電極）間的電阻值，R0是指霍爾元件的霍爾電勢(shì)輸出電極（簡(jiǎn)稱霍爾電極）間的電阻，單位為Ω?？梢栽跓o(wú)磁場(chǎng)即B＝0和室溫（205）℃時(shí)，用歐姆表等測(cè)量。7/22/202318在額定控制電流Ic

之下，不加磁B＝0時(shí)，霍爾電極間的空載霍爾電勢(shì)UH≠0，稱為不平衡(不等位)電勢(shì)，單位為mV。一般要求霍爾元件的UH<1mV，好的霍爾元件的UH可以小于0.1mV。不等位電勢(shì)和額定控制電流Ic之比為不等位電阻RM，即

4、不等位電勢(shì)UM和不等位電阻RM7/22/202319

不平衡電勢(shì)UH是主要的零位誤差。因?yàn)樵诠に嚿想y以保證霍爾元件兩側(cè)的電極焊接在同一等電位面上。如下圖(a)所示。當(dāng)控制電流I流過(guò)時(shí)，即使末加外磁場(chǎng)，A、B兩電極此時(shí)仍存在電位差，此電位差被稱為不等位電勢(shì)（不平衡電勢(shì)）UH。7/22/202320

在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度變化1℃時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率稱為霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)α，單位為1／℃。5、霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)α7/22/202321一、基本測(cè)量電路控制電流I由電源E供給，電位器R調(diào)節(jié)控制電流I的大小。霍爾元件輸出接負(fù)載電阻RL，RL可以是放大器的輸入電阻或測(cè)量?jī)x表的內(nèi)阻。由于霍爾元件必須在磁場(chǎng)與控制電流作用下，才會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)UH，所以在測(cè)量中，可以把I

第三節(jié)霍爾元件的測(cè)量電路與B的乘積、或者I，或者B作為輸入情號(hào)，則霍爾元件的輸出電勢(shì)分別正比于IB或I或B。7/22/202322為了獲得較大的霍爾輸出電勢(shì)，可以采用幾片疊加的連接方式。下圖(a)為直流供電，控制電流端并聯(lián)輸出串聯(lián)。下圖(b)為交流供電，控制電流端串聯(lián)變壓器疊加輸出。連接方式7/22/202323

由于載流子濃度等隨溫度變化而變化，因此會(huì)導(dǎo)致霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電勢(shì)等也隨溫度變化而變化。這種變化程度隨不同半導(dǎo)體材料有所不同。而且溫度高到一定程度，產(chǎn)生的變化相當(dāng)大。溫度誤差是霍爾元件測(cè)量中不可忽視的誤差。針對(duì)溫度變化導(dǎo)致內(nèi)阻(輸入、輸出電阻)的變化，可以采用對(duì)輸入或輸出電路的電阻進(jìn)行補(bǔ)償。

二、溫度誤差及其補(bǔ)償7/22/202324（一）采用恒流源提供控制電流對(duì)于上圖所示的基本測(cè)量電路，設(shè)溫度由T增加到T+ΔT，因霍爾片的電子濃度n增加，從而使霍爾元件的乘積靈敏度由KH減小到KH（1－αΔT），其中α是KH的溫度系數(shù)。7/22/202325另一方面霍爾元件輸入電阻由Ri減小到Ri（1－βΔT）。其中β是Ri的溫度系數(shù)。輸入電阻的變化將使控制電流由IC變?yōu)镮C＋ΔIC，此時(shí)霍爾電勢(shì)將由UH＝KHICB變?yōu)閁H＋ΔUH＝KH（1－αΔT）（IC＋ΔIC）B。要使ΔUH＝0，必須IC＝（1－αΔT）（IC＋ΔIC）7/22/202326要滿足IC＝（1－αΔT）（IC＋ΔIC），為此采用上圖所示的電源為恒流源的測(cè)量電路，電路中并聯(lián)一個(gè)起分流作用的補(bǔ)償電阻R。根據(jù)上圖可得式中γ—補(bǔ)償電阻R的溫度系數(shù)。7/22/202327將這兩式代入對(duì)上式進(jìn)行整理，并忽略（ΔT）2項(xiàng)可得得到7/22/202328

對(duì)于一個(gè)確定的霍爾元件，α和β值可由元件參數(shù)表查得，Ri可在無(wú)外磁場(chǎng)和室溫條件下直接測(cè)得。因此只要選擇適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電阻，使其R和γ滿足上式，就可在輸入回路實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度誤差的補(bǔ)償了。7/22/202329（二）合理選擇負(fù)載電阻如上圖所示，若霍爾電勢(shì)輸出端接負(fù)載電阻RL，則當(dāng)溫度為T(mén)時(shí)，RL上的電壓可表示為：式中R0—霍爾元件的輸出電阻。7/22/202330當(dāng)溫度由T變?yōu)門(mén)+ΔT時(shí)，則RL上的電壓變?yōu)槭街笑痢魻栯妱?shì)的溫度系數(shù)；β—霍爾元件輸出電阻的溫度系數(shù)。要使UL不受溫度變化的影響，即ΔUL＝0，由上兩式可知，必須對(duì)上式進(jìn)行整理可得7/22/202331

對(duì)于一個(gè)確定的霍爾元件，可以方便地獲得α、β和R0的值，因此只要使負(fù)載電阻RL滿足上式，就可在輸出回路實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度誤差的補(bǔ)償了。雖然RL通常是放大器的輸入電阻或表頭內(nèi)阻，其值是一定的，但可通過(guò)串、并聯(lián)電阻來(lái)調(diào)整RL的值。7/22/202332（三）采用熱敏元件對(duì)于由溫度系數(shù)較大的半導(dǎo)體材料（如銻化銦）制成的霍爾元件，常采用右圖所示的溫度補(bǔ)償電路，圖中Rt是熱敏元件（熱電阻或熱敏電阻）。7/22/202333圖（a）是在輸入回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償電路，當(dāng)溫度變化時(shí)，用Rt的變化來(lái)抵消霍爾元件的乘積靈敏度KH和輸入電阻Ri變化對(duì)霍爾輸出電勢(shì)UH的影響。7/22/202334

圖（b）則是在輸出回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐?，?dāng)溫度變化時(shí)，用Rt的變化來(lái)抵消霍爾電勢(shì)UH和輸出電阻R0變化對(duì)負(fù)載電阻RL上的電壓UL的影響。在安裝測(cè)量電路時(shí)，應(yīng)使熱敏元件和霍爾元件的溫度一致。7/22/202335

不等位電勢(shì)是霍爾元件在加控制電流而不加外磁場(chǎng)時(shí)，而出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)稱為零位誤差。在分析不等位電勢(shì)時(shí)，可將霍爾元件等效為一個(gè)電橋，如右圖所示?？刂齐姌OA、B和霍爾電極C、D可看作電橋的電阻連接點(diǎn)。它們之間分布電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成四個(gè)橋臂，控制電壓可視為電橋的工作電壓。三、不等位電勢(shì)的補(bǔ)償7/22/202336

理想情況下，不等位電勢(shì)UM=0，對(duì)應(yīng)于電橋的平衡狀態(tài)，此時(shí)R1＝R2＝R3＝R4。如果霍爾元件的UM≠0，則電橋就處于不平衡狀態(tài)，此時(shí)R1、R2、R3、R4的阻值有差異，UM就是電橋的不平衡輸出電壓。只要能使電橋達(dá)到平衡的方法都可作為不等位電勢(shì)的補(bǔ)償方法。7/22/202337（一）基本補(bǔ)償電路

霍爾元件的不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路有多種形式，圖9－7為兩種常見(jiàn)電路，其中RW是調(diào)節(jié)電阻?；狙a(bǔ)償電路沒(méi)有考慮溫度變化的影響。當(dāng)溫度發(fā)生變化，需要重新進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)。7/22/202338（二）具有溫度補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電路右圖是一種常見(jiàn)的具有溫度補(bǔ)償?shù)牟坏任浑妱?shì)補(bǔ)償電路。該補(bǔ)償電路本身也接成橋式電路，其工作電壓有霍爾元件的控制電壓提供；其中一個(gè)為熱敏電阻Rt，并且于霍爾元件的等效電阻的溫度特性相同。7/22/202339在該電橋的負(fù)載電阻RP2上取出電橋的部分輸出電壓（稱為補(bǔ)償電壓），與霍爾元件的輸出電壓反向串聯(lián)。在磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)，調(diào)節(jié)RP1和RP2，使補(bǔ)償電壓抵消霍爾元件此時(shí)輸出的不等位電勢(shì)，從而使B＝0時(shí)的總輸出電壓為零。7/22/202340在霍爾元件的工作溫度下限T1時(shí)，熱敏電阻的阻值為Rt（T1）。電位器RP2保持在某一確定位置，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器的RP1來(lái)調(diào)節(jié)補(bǔ)償電橋的工作電壓，使補(bǔ)償電壓抵消此時(shí)的不等位電勢(shì)UML，此時(shí)的補(bǔ)償電壓稱為恒定補(bǔ)償電壓。7/22/202341當(dāng)工作溫度T1升高到T1＋ΔT時(shí)，熱敏電阻的阻值為Rt（T1＋ΔT

）。RP1保持不變，通過(guò)調(diào)節(jié)RP2，使補(bǔ)償電壓抵消此時(shí)的不等位電勢(shì)UML＋ΔUM。此時(shí)的補(bǔ)償電壓實(shí)際上包含了兩個(gè)分量，一個(gè)是抵消工作溫度為T(mén)1時(shí)的不等位電勢(shì)UML的恒定補(bǔ)償電壓分量，另一個(gè)是抵消工作溫度升高ΔT時(shí)的不等位電勢(shì)的變化量ΔUM的變化補(bǔ)償電壓分量。7/22/202342根據(jù)上述討論可知，采用橋式補(bǔ)償電路，可以在霍爾元件的整個(gè)溫度范圍內(nèi)對(duì)不等位電勢(shì)進(jìn)行良好的補(bǔ)償，并且對(duì)不等位電勢(shì)的恒定部分和變化部分的補(bǔ)償可獨(dú)立地進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以，可達(dá)到相當(dāng)高的補(bǔ)償精度。7/22/202343第四節(jié)霍爾式傳感器舉例一、將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持霍爾元件的控制電流I恒定不變，就可測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B，以及位移、角度等可直接轉(zhuǎn)換為B的物理量，進(jìn)一步還可以測(cè)量先轉(zhuǎn)換成位移或角度、然后間接轉(zhuǎn)換為B的物理量，如振動(dòng)、壓力、速度、加速度、轉(zhuǎn)速等等。下面以霍爾式壓力傳感器為例進(jìn)行說(shuō)明。7/22/202344

圖9-9霍爾壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖霍爾元件磁鋼壓力P波登管NSSN霍爾式壓力傳感器霍爾式壓力傳感器由兩部分組成：一部分是彈性敏感元件的波登管用以感受壓力P，并將P轉(zhuǎn)換為彈性元件的位移量x，即x＝KPP，其中系數(shù)KP為常數(shù)。另一部分是霍爾元件和磁系統(tǒng)，磁系統(tǒng)形成一個(gè)均勻梯度磁場(chǎng)，如右圖所示，在其工作范圍內(nèi)，B＝KBx，其中斜率KB為常數(shù)；霍爾元件固定在彈性元件上，因此霍爾元件在均勻梯度磁場(chǎng)中的位移也是x。這樣，霍爾電勢(shì)UH與被測(cè)壓力P之間的關(guān)系就可表示為UH＝KHIB＝KHIKBKPP＝KP式中KHIKBKP＝K—霍爾式壓力傳感器的輸出靈敏度。二、將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為I與B的乘積右圖為霍爾式單相交流功率計(jì)的基本電路。設(shè)輸入電壓BiRuicUHZL經(jīng)過(guò)降壓電阻R得到霍爾元件的控制電流負(fù)載ZL上的電流流